La respiration cellulaire produit 30 à 32 molécules d’ATP par molécule de glucose. Bien que la plupart de l’ATP provient de la phosphorylation oxydative et la chaîne de transport d’électrons (ETC), 4 ATP sont gagnés à l’avance (2 de la glycolyse et 2 du cycle de l’acide citrique).

L’ETC est intégré dans la membrane mitochondriale interne et comprend quatre complexes protéiques principaux et une ATP synthase. Le NADH et le FADH2 transmettent des électrons à ces complexes, qui à leur tour pompent les protons dans l’espace intermembranaire. Cette distribution de protons génère un gradient de concentration à travers la membrane. Le gradient entraîne la production d’ATP lorsque les protons reviennent dans la matrice mitochondriale via l’ATP synthase.

Pour chaque 2 électrons apportés que le NADH passe dans le complexe I, les complexes I et III pompent chacun 4 protons, et le complexe IV pompe 2 protons, soit un total de 10 protons. Le complexe II n’est pas impliqué dans la chaîne d’électrons initiée par le NADH. Le FADH₂, cependant, passe 2 électrons au complexe II, de sorte qu’un total de 6 protons sont pompés par FADH₂ ; 4 protons via les complexes III et 2 via le complexe IV.

Quatre protons sont nécessaires pour synthétiser 1 ATP. Puisque 10 protons sont pompés pour chaque NADH, 1 NADH donne 2,5 (10/4) ATP. Six protons sont pompés pour chaque FADH₂, donc 1 FADH₂ donne 1,5 (6/4) ATP.

La respiration cellulaire produit un maximum de 10 NADH et 2 FADH₂ par molécule de glucose. Comme un seul NADH produit 2,5 ATP et un seul FADH₂ produit 1,5 ATP, il s’ensuit que 25 ATP + 3 ATP sont produits par phosphorylation oxydative. Quatre ATP sont produits avant la phosphorylation oxydative, ce qui donne un maximum de 32 ATP par molécule de glucose.

Fait important, la glycolyse se produit dans le cytosol et l’ETC est situé dans les mitochondries (dans les eucaryotes). La membrane mitochondriale n’est pas perméable au NADH, donc les électrons des 2 NADH qui sont produits par glycolyse doivent être transportés dans les mitochondries. Une fois à l’intérieur de la mitochondrie, les électrons peuvent être transmis au NAD⁺ ou FAD. Compte tenu des différences de rendement en ATP selon le transporteur d'électrons, le rendement total de la respiration cellulaire est de 30 à 32 ATP par molécule de glucose.